Теория и практика крыла обратной стреловидности
Планер ЦАГИ-2 или БП-2 в полете. Можно рассмотреть форму крыла. Фото Airwar.ru
С середины тридцатых годов XX в. ученые и конструкторы разных стран изучают тематику крыла обратной стреловидности. Исследования показали, что подобная архитектура самолета имеет ряд важных преимуществ перед традиционными схемами и представляет определенный практический интерес. Однако она не получила широкого распространения и не смогла потеснить иные конструкции. Кроме того, такое техническое решение хорошо показало себя только в отдельных областях.
Прямая или отрицательная
С середины прошлого века большинство самолетов всех основных классов оснащается крылом прямой стреловидности. Такая схема позволяет уменьшить лобовое и волновое сопротивление, а также сократить аэродинамические нагрузки на конструкцию. Все это способствует повышению скорости полета, улучшает маневренность и другие параметры.
Однако стреловидное крыло имеет недостатки, связанные с тем, что часть воздушного потока перемещается вдоль плоскости. Так, на определенных режимах полета, в зависимости от достигнутого угла атаки, начинается т.н. концевой эффект. Движущийся вдоль плоскости поток начинает срываться с законцовки и создает вихри, которые уменьшают общую подъемную силу, ухудшают устойчивость и мешают работе элеронов, что портит управляемость.
В тридцатых годах советские и иностранные ученые и конструкторы предложили оригинальный способ решения проблем стреловидного крыла – крыло обратной стреловидности (КОС). Предлагалось изменить расположение передней кромки с таким расчетом, чтобы законцовки оказывались в потоке впереди корневой части крыла.
Опытный бомбардировщик ДБ-ЛК конструкции Беляева. Фото Airwar.ru
На таком крыле продольная составляющая потока движется не к законцовке, а к центроплану, после чего уходит вдоль фюзеляжа. За счет этого концевой эффект возникает только на больших углах атаки, причем он не мешает работе элеронов. Увеличение обратной стреловидности и правильный подбор геометрии крыла позволяет усилить эти эффекты. Все это приводит к улучшению маневренности и дает новые возможности конструктивного характера.
Впрочем, КОС не лишено серьезных недостатков. Специфика обтекания приводит к особым нагрузкам и возникает т.н. упругая положительная дивергенция. Поток с большой силой скручивает плоскость вокруг ее продольной оси, из-за чего возникает риск повреждения или разрушения конструкции. Возникают особые требования к применяемым материалам и технологиям строительства.
Ранние эксперименты
Первым летательным аппаратом с КОС считается советский планер БП-2 или ЦАГИ-2 конструкции В.П. Беляева, построенный в 1934 г. Этот аппарат показал хорошие аэродинамические характеристики и в целом подтвердил принципиальную возможность создания и использования КОС. В дальнейшем Беляев построил и испытал новые экспериментальные планеры.
Через несколько лет по его проекту был построен бомбардировщик ДБ-ЛК. Двухфюзеляжная двухмоторная машина имела признаки «летающего крыла» и сужающиеся в плане плоскости обратной стреловидности. На испытаниях в 1939-40 гг. самолет показал неплохие летные характеристики, но отличался сниженной устойчивостью.
Немецкий самолет Ju-287 на стадии строительства. Фото Wikimedia Commons
В тридцатых тематикой КОС занялись и за рубежом. К примеру, несколько опытных планеров построили и испытали в Польше, но дальнейшему развитию направления помешала Вторая мировая война. Уже во время войны эту тему начала развивать Германия. В феврале 1944 г. немецкие авиастроители подняли в воздух опытный самолет Ju-287 со стреловидностью -23° по передней кромке. Расчетная скорость такой машины превышала 800 км/ч, но скручивание крыла заставило остановить испытания до ее достижения.
После войны этот проект получил развитие. Немецкие специалисты в советском ОКБ-1 разработали экспериментальный самолет EF-131 схожей схемы. С учетом опыта предыдущих испытаний, было решено уменьшить стреловидность. Тем не менее, проблема нагрузок не исчезла. Проект посчитали неудачным и закрыли.
Первые успехи
Впрочем, в ранней истории КОС имелись и успехи. Так, еще в 1936 г. свой первый полет совершил многоцелевой самолет Lysander, разработанный британской компанией Westland. Это был подкосный высокоплан с изломанной передней кромкой крыла. Корневая часть плоскостей имела заметную отрицательную стреловидность, консоли – меньшую. Машиной управляли два летчика, она несла пулеметы и бомбы малого калибра.
«Лайсандер» показал высокие летно-технические характеристики и поступил на вооружение КВВС. Производство таких машин стартовало в 1938 г. и продолжалось до 1942-го. Было построено почти 1700 самолетов. В результате Lysander стал первым серийным и самым массовым самолетом с КОС в истории.
Гражданский HFB-320 в музее. Фото Wikimedia Commons
В конце сороковых тема КОС получила развитие в СССР, и в 1950 г. взлетел опытный ближнемагистральный самолет Ил-14. Характерной его особенностью являлось крыло со стреловидностью -3° по передней кромке; на центроплане находились гондолы двигателей. Это техническое решение улучшило аэродинамику и повысило характеристики на всех основных режимах.
Ил-14 оказался удачной машиной, пошел в крупную серию и массово эксплуатировался на разных линиях. Для собственных нужд и для экспорта наша страна построила почти 1350 таких самолетов.
В 1966 г. в эксплуатацию поступил многоцелевой самолет HFB-320 Hansa Jet от компании Hamburger Flugzeugbau из ФРГ. Машина с максимальной взлетной массой более 9,2 т получила сужающееся крыло со стреловидностью -15°, развитой механизацией и топливными баками на законцовках. Самолет развивал скорость 825 км/ч и показывал высокие взлетно-посадочные характеристики. Экипаж состоял из двух пилотов; пассажирская кабина вмещала до 12-15 чел.
Достаточно высокие характеристики заинтересовали нескольких заказчиков, и HFB-320 пошел в серию. Было построено 47 машин. Сначала самолет использовался только на пассажирских линиях, но затем им заинтересовался Бундесвер. На удачной платформе выполнили самолет-постановщик помех.
Следует отметить, что с пятидесятых-шестидесятых годов тема КОС завоевала популярность среди зарубежных производителей спортивных планеров. За несколько десятилетий был разработан целый ряд таких проектов, и некоторые дошли до крупной серии. Так, самым массовым в своем классе стал западногерманский планер середины шестидесятых годов Schleicher ASK 13, построенный серией численностью ок. 700 ед.
Экспериментальный самолет Grumman X-29. Фото NASA
Опыты военного назначения
После успехов гражданского авиастроения возобновились исследования по тематике КОС для боевой авиации. Первый проект «нового поколения» был создан американской компанией Grumman в сотрудничестве с агентством DARPA. Целью программы с индексом X-29 являлась отработка конструкции самолета необычной схемы, построенного с применением современных технологий и компонентов.
Для соответствия расчетным нагрузкам X-29 выполнили с широким применением композитных материалов. Планер получил переднее горизонтальное оперение и крыло со стреловидностью -30°. Еще одно нововведение опробовали в области бортовой аппаратуры. Самолет оснастили электродистанционной системой управления с тремя контролирующими компьютерами. Все это позволило сделать машину статически неустойчивой и в полной мере опробовать маневренный потенциал КОС.
Летные испытания X-29 начались в 1984 г., использовалось две опытные машины. В целом были подтверждены расчетные характеристики и возможности. Кроме того, с лучшей стороны показали себя композиты и компьютеризированная ЭДСУ. Впрочем, проект X-29 сочли неудачным. Он не только продемонстрировал все преимущества необычного крыла, но и выявил ряд его недостатков. Дальнейшее развитие посчитали бессмысленным.
С начала восьмидесятых годов аналогичный проект создавался и в СССР / России. КБ Сухого разработало и довело до испытаний экспериментальный самолет С-37 или Су-47, также известный как «Беркут». Первый полет этой машины состоялся в 1997 г., и следующие несколько лет ушли на эксперименты.
Российский Су-47 "Беркут". Фото Airwar.ru
Самолет выполнили по схеме «интегральный продольный триплан» с передним горизонтальным оперением и хвостовыми стабилизаторами. Крыло имело композитную конструкцию и трапециевидную форму. Наплыв крыла имел положительную стреловидность 75°, затем следовала переходная часть, а передняя кромка консоли имела стреловидность -20°. Использовалась компьютеризированная ЭДСУ с многократным резервированием и запасной гидравлической системой.
По известным данным, С-37 подтвердил все предварительные оценки. Он показал высокий потенциал и возможности КОС и новых систем управления, однако указал на наличие характерных аэродинамических трудностей. В связи с этим в начале двухтысячных работы по КОС свернули. При этом построенный Су-47 остался в строю – его стали использовать как летающую лабораторию для перспективной программы ПАК ДА.
В качестве интересного примера военного применения КОС следует вспомнить американскую крылатую ракету воздушного базирования AGM-129 ACM, состоявшую на вооружении в 1990-2012 гг. Она была построена в корпусе характерной формы и имела раскладное крыло обратной стреловидности.
Любопытно, что в этом случае КОС использовалось не для улучшения аэродинамики и летных данных, а в качестве элемента стелс-технологий. При подсвете спереди или снизу прямая или стреловидная передняя кромка отражает сигнал радиолокатора вперед либо в сторону, что увеличивает ЭПР летательного аппарата. КОС, в свою очередь, отражает сигнал на фюзеляж, который не позволяет ему вернуться к РЛС.
Крылатая ракета AGM-129 ACM в полетной конфигурации. Фото ВВС США
Для отдельных направлений
Таким образом, в ходе многочисленных исследований и испытаний реальных летательных аппаратов крыло обратной стреловидности подтвердило все свои расчетные возможности и преимущества. Кроме того, оно показало наличие некоторых ограничений и проблем, которые необходимо учитывать при разработке новых проектов.
Следует заметить, что до массового производства дошли лишь отдельные образцы самолетов с КОС, причем все они относятся к нескольким классам. Это планеры или легкомоторные самолеты, а также гражданские лайнеры. Несмотря на все усилия конструкторов, сверхзвуковые сверхманевренные истребители с КОС пока не продвинулись дальше испытаний.
Причины этого достаточно просты. Планеры или пассажирские самолеты позволяют реализовать основные преимущества КОС и улучшить летные данные без чрезмерного усложнения конструкции. Создание маневренного истребителя, в свою очередь, требует новых материалов и технологий, которые позволят ему выдерживать все специфические нагрузки. Как показала практика, даже компьютеры и композиты не позволяют решить все подобные задачи и гарантировать безопасную эксплуатацию и боевое применение.
Вероятно, в будущем направление КОС продолжит развиваться. В разных странах будут проводиться эксперименты, и создаваться новые образцы техники. При этом не следует ожидать быстрого прогресса в этой области. Кроме того, по всей видимости, применение этой схемы так и ограничится легкой и пассажирской авиацией, в т.ч. безмоторной. Боевая авиация, в свою очередь, продолжит использовать проверенные и отработанные концепции.
Информация